复合材料科学与工程 ›› 2021, Vol. 0 ›› Issue (7): 39-47.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.007
杨向涛1, 王朝阳1, 张金纳1, 朱世杰1, 郭海伟1, 吴海宏1,3*, 仝立勇2
收稿日期:
2020-10-28
出版日期:
2021-07-28
发布日期:
2021-08-04
通讯作者:
吴海宏(1964-),女,博士,教授,主要从事碳纤维复合材料方面的研究,hhwu@haut.edu.cn。
作者简介:
杨向涛(1996-),男,硕士研究生,主要研究方向为复合材料结构电池驱动智能小车的设计方法。
基金资助:
YANG Xiang-tao1, WANG Chao-yang1, ZHANG Jin-na1, ZHU Shi-jie1, GUO Hai-wei1, WU Hai-hong1,3*, TONG Li-yong2
Received:
2020-10-28
Online:
2021-07-28
Published:
2021-08-04
摘要: 智能系统、无人驾驶等现代交通的不断发展,对传统电池的轻量化、安全性、有效负载和循环寿命都提出了新的挑战。本文利用活性炭、介孔碳以及将两者按50%比例混合制备了三种不同的碳材料电极片,对其进行了微观形貌和电化学性能对比分析。选取性能最优的电极片与超薄碳纤维预浸料集成制备了结构电池,并采用万能试验机对其进行了拉伸、压缩、弯曲测试。实验结果表明:活性炭和介孔碳混杂制成的电极片具有更有利于离子迁移的表面形貌,用其制成的结构电池具有良好的充放电特性。在受载条件下,拉伸测试单位质量载荷小于240 kN/kg时,比电容和能量密度数据波动在15%以下;压缩测试单位质量载荷达到58 kN/kg时,比电容和能量密度提高了39.5%;弯曲测试单位质量载荷为16 kN/kg时,比电容和能量密度提高了12%。超薄碳纤维复合材料结构电池作为一种储能复合材料,在提高结构电池性能和系统轻量化方面具有巨大潜力。
中图分类号:
杨向涛, 王朝阳, 张金纳, 朱世杰, 郭海伟, 吴海宏, 仝立勇. 超薄碳纤维复合材料结构电池制备及其性能评价[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(7): 39-47.
YANG Xiang-tao, WANG Chao-yang, ZHANG Jin-na, ZHU Shi-jie, GUO Hai-wei, WU Hai-hong, TONG Li-yong. Preparation and performance evaluation of ultra-thin carbon fiber composite structure battery[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2021, 0(7): 39-47.
[1] THOMAS J, QIDWAI S, POGUE W, et al. Multifunctional structure-battery composites for marine systems[J]. Journal of Composite Materials, 2013, 47(1): 5-26. [2] WILHELM J, NIKLAS I, DAN Z, et al. Multifunctional performance of a carbon fiber UD lamina electrode for structural batteries[J]. Composites Science and Technology, 2018, 168: S0266353818306055. [3] WANG Y, PENG C, ZHANG W. Mechanical and electrical behavior of a novel satellite multifunctional structural battery[J]. Journal of Scientific and Industrial Research, 2014, 73(3): 163-167. [4] 吕纯池. 新能源电动汽车核心技术发展现状与趋势综述[J]. 科技与创新, 2020(17): 86-87. [5] 黄健航, 王永刚, 夏永姚. 新型储能化学电源研究进展[J]. 电源技术, 2020, 44(6): 793-798. [6] 李素敏, 张新立. 多功能结构-储能一体化复合材料的研究现状及进展[J]. 化学工程与技术, 2019, 9(5): 6. [7] 胡芸, 谢凯, 盘毅, 等. 结构电池的研究现况[J]. 电源技术, 2008(12): 889-891. [8] MUHAMMADA Q. Structure battery multifunctional composite design[J]. Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, 2002, 48(98): 180. [9] LIU P, SHERMAN E, JACOBSEN A, et al. Design and fabrication of multifunctional structural batteries[J]. Journal of Power Sources, 2009, 189(1): 646-650. [10] EKSTEDT S, WYSOCKI M, ASP L E, et al. Structural batteries made from fiber reinforced composites[J]. Plastics, Rubber and Composites, 2010, 39(3-5): 148-150. [11] CARLSON T. Multifunctional composite materials: Design, manufacture and experimental characterizations[D]. Lulea: Lulea Tekniska University, 2013. [12] ASP L, BISMARCK A, LINDBERG G, et al. Abattery half cell, a battery and their manufacture: EP20131068026[P]. 2013-08-30. [13] THOMAS J P, QIDWAI M A. Mechanical design and performance of composite multifunctional materials[J]. Acta Materialia, 2004, 52(8): 2155-2164. [14] THOMAS J P, QIDWAI M A. The design and application of multifunctional structure-battery materials systems[J]. JOM, 2005, 57(3): 18-24. [15] CHRISTODOULOU L, VENABLES J D. Multifunctional material systems: The first generation[J]. JOM, 2003, 55(12): 39-45. [16] LYMAN P C, FEAVER T L. PowerCore combining structure and batteries for increased energy to weight ratio[J]. Aerospace & Electronic Systems Magazine IEEE, 1998, 13(9): 39-42. [17] LIU P, SHERMAN E, JACOBSEN A. Design and fabrication of multifunctional structural batteries[J]. Journal of Power Sources, 2009, 189(1): 646-650. [18] SNYDER J F, GIENGER E B, WETZEL E D. Performance metrics for structural composites with electrochemical multifunctionality[J]. Journal of Composite Materials, 2015. [19] SHIRSHOVA N, BISMARCK A, CARREYETTE S, et al. Structural supercapacitor electrolytes based on bicontinuous ionic liquid-epoxy resin systems[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2013, 1(48): 15300-15309. [20] IHRNER N, JOHANNISSON W, SIELAND F, et al. Structural lithium ion battery electrolytes via reaction induced phase-separation[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2017: 10. 1039. C7TA04684G. [21] ZHAO Y, ZHAO D, ZHANG T, et al. Preparation and multifunctional performance of carbon fiber-reinforced plastic composites for laminated structural batteries[J]. Polymer Composites, 2020. [22] LADPLIA P, NARDARIA R, KOPSAFTOPOULOS F, et al. Multifunctional energy storage composite structures with embedded lithium-ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2019, 414(5): 517-529. [23] PEREIRA T, GUO Z, NIEH S, et al. Embedding thin-film lithium energy cells in structural composites[J]. Composites ence & Technology, 2008, 68(7-8): 1935-1941. [24] ZHANG L, LU S, WANG X, et al. Manufacture and mechanical properties of sandwich structure-battery composites[J]. Journal of Polymer Engineering, 2019, 39(9): 838-843. [25] 王朝阳, 杨向涛, 徐祥博, 等. 结构储能碳纤维复合材料设计及其在无人机上的应用[J]. 航空制造技术, 2020, 63(18): 84-90, 101. [26] 李世超, 张正, 巴文兰, 等. 超薄预浸料对碳纤维/环氧树脂复合材料导电性能的影响[J]. 复合材料学报, 2020, 37(3): 539-545. [27] WU H, LI S, ZHANG J, et al. Electrical resistivity response of unidirectional thin-ply carbon fiber reinforced polymers[J]. Composite Structures, 2019, 228: 111342. [28] 农谷珍. 超级电容器电极材料的制备及电化学性能研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2009. [29] 曹小卫, 吴明霞, 安仲勋, 等. 一步法腐蚀铝箔对超级电容器性能影响[J]. 电池工业, 2012(3): 17-20, 34. [30] 周海生. 双电层电容器电极材料及其制备工艺与性能研究[D]. 长沙: 中南大学, 2013. [31] CHRISTOPHERSEN J P. Battery test manual for electric vehicles, idaho national laboratory: INL/EXT-15-34184[R]. Idaho: INL, 2015. [32] 鲁群. 超级电容器电极材料的制备及其电化学性能研究[D]. 湖南: 湘潭大学, 2018. [33] 陈辉. 生物质基炭材料的设计、制备及其电化学性能研究[D]. 石河子: 石河子大学, 2018. [34] 张君贤. 碳纤维基复合电极材料的制备及其电化学性能研究[D]. 上海: 东华大学, 2018. [35] 余威, 谢凯, 胡芸. 受力条件下平板聚合物锂离子电池的性能[J]. 电池, 2007(6): 31-33. [36] MIAO L, SONG Z, ZHU D, et al. Recent advances in carbon-based supercapacitors[J]. Materials Advances, 2020, 1(5). [37] ZHOU Z, LIU T, KHAN A U, et al. Block copolymer-based porous carbon fibers[J]. Science Advances, 2019, 5(2). [38] LI D, ZHAO L, CAO X, et al. Nickel-catalyzed formation of mesoporous carbon structure promoted capacitive performance of exhausted biochar[J]. Chemical Engineering Journal, 2021: 126856. [39] 禹兴海, 罗齐良, 潘剑, 等. 一种生物炭基柔性固态超级电容器的制备及性能研究[J]. 化工学报, 2019, 70(9): 3590-3600. [40] CHEN S, ZHU J W, WU X, et al. Graphene oxide-MnO2 nanocomposites for supercapacitors[J]. ACS Nano, 2010, 4(5): 6212-6218. [41] TIRUYE G A, PALMA J, THOMAS B, et al. Functional porous carbon nanospheres from sustainable precursors for high performance supercapacitors[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5(31): 16263-16272. |
[1] | 宫唯康, 刘晓阳, 荆玉才, 项俊宁, 李相国, 杨国涛. 预应力CFRP板加固钢-混凝土组合梁受弯性能的有限元分析[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(7): 11-19. |
[2] | 赵雄翔, 孙鹏文, 李建东. 基于应变能的风力机叶片铺层结构优化设计[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(7): 20-24. |
[3] | 常腾飞, 湛利华, 李树健, 潘阳. 不同成型方法的树脂基复合材料帽形结构共固化成型质量研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(7): 32-38. |
[4] | 王雅娜, 赵魏. 复合材料Ⅱ型分层ENF试验数据处理方法对比分析[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(7): 81-92. |
[5] | 何靓, 朱攀星, 俆小伟, 王金云. 复合材料残余应力与固化变形机理及控制研究进展[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(7): 121-128. |
[6] | 闫金顺, 孙鹏文, 马志坤, 赵雄翔, 董新洪. 幂函数过滤函数不同参数对层合板拓扑优化收敛率的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(6): 5-9. |
[7] | 吴毅彬, 许丽华, 金国芳, 欧永辉. 基于Weibull分布函数的FRP退化模型研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(6): 10-16. |
[8] | 杨智勇, 刘清念, 孙建波, 解永杰, 左小彪, 张建宝. 铺层角度偏差对曲面复合材料层合板形面轮廓的影响分析[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(6): 17-26. |
[9] | 黄东辉, 曾少华. 氨基化石墨烯-玻璃纤维增强环氧复合材料的界面黏合性研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(6): 27-32. |
[10] | 唐永明, 郭晓云, 陈杰. 不同端部锚固FRP-砌体界面黏结性能试验研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(6): 33-40. |
[11] | 门树林, 张健敏, 高志浩, 温荣严, 骆林, 崔笑晨. 碳纤维与聚酰胺自增强复合材料协同增强体系的制备及其性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(6): 41-46. |
[12] | 肖鹏, 李秀琴, 冯霞, 张蓓蓓, 李博轩. BP-GO-AgNPs复合粉末添加量对BP-GO-AgNPs复合涂层抑菌性能的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(6): 47-52. |
[13] | 赵宝艳, 陈丽娜, 张利, 包锦标. 填料/基体三维氢键网络提升PHBV复合材料力学性能[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(6): 53-58. |
[14] | 刘雅奇, 刘运浩, 李普旺, 王超, 宋书会, 杨子明. 菠萝叶纤维增强热塑性淀粉复合材料的性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(6): 59-64. |
[15] | 史启通, 李冰, 冯聪, 明平文, 张存满. 基于显微CT技术的碳纸微观结构特征分析[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(6): 65-69. |
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